混凝土柱+钢网架的结构设计

【摘要】体育场馆类项目一般为混凝土框架柱+钢网架结构屋面，传统的此类项目设计都是用钢梁来代替网架，在PKPM中用Satwe计算，本文通过一个工程实例来说明采用PKPM系列的SpasCAD进行此类项目的设计方法，在PM中建模然后转到SpasCAD中输入钢网架，进行整体分析，同时对整个结构进行push-over推覆分析，以找出结构的薄弱部分，从而进行有针对性的加强措施。

【关键词】钢网架  SpasCAD  pushover推覆分析 整体分析

    对于体育场馆类项目，一般是采用钢网架屋面+混凝土框架柱。由于PKPM中不能建立网架构件，传统的此类项目的设计均是采用钢梁去模拟网架，这种方法的缺点是不能考虑网架与混凝土框架结构的整体受力，特别是由于网架的平面内刚度无限大，而用钢梁代替网架的话，这种屋面平面内刚度几乎等于零，因此这种计算方法与实际存在的结构受力情况完全不一致，特别是支撑网架的混凝土柱，其受力性能与实际的情况存在更大的差别，这给工程带来了很大的隐患。因此找到采用与实际结构一致的计算方法就显得尤为必要，幸运的是，好多科研单位推出了这种混凝土框架柱+网架屋面结构体系的整体计算软件，像中国建筑科学研究院的PKPM系列的SpasCAD、盈建科YJK、Midas-building、SAP2000等，这些软件均可以按照实际结构建立相应的模型，进行整体分析计算。为了简单起见，本文采用PKPM系列的SpasCAD程序，通过一个具体的工程实例来详细说明如何设计此类项目以及设计这类项目的关键注意点。

1、工程概况

射阳中学体育馆，工程面积6000平方米，两层，一层为自行车停车场，二层为篮球场，一层层高4.5米，二层层高11米，一层至二层处有一个室外楼梯，另外还有其它楼梯，柱网布置不规则，屋顶采用钢网架。地震设防烈度7°，场地类别III类，地震加速度0.15g，设计地震分组第三组。建筑的平面和剖面如图1和2所示：

                        图1  建筑二层平面图

                       图2  建筑剖面图

2、模型建立：

从图1 可以看出，左侧有两个楼梯从一层走向二层，右下部位有一个楼梯从一层走向二层，而且还有圆弧形梁，因此柱的布置不规则。为此我们在PM中将这些楼梯按照实际情况输入，通过改变梁两端的标高、节点高、设置层间梁等方法，在PM中建立结构模型。在建好混凝土框架部分的模型后，将PM输入的混凝土框架模型导入到SpasCAD中，在SpasCAD模块中选择快速建模菜单，按照区隔输入网架参数，从而自动形成网架模型，利用选择集，将网架模型按照对齐的原则平移到框架柱顶，由于本工程柱网布置不规则，所以由数据文件自动形成的网架需要做局部修改，将柱顶附近同时又不在柱上的节点移动到柱顶节点，这样便形成了整体结构模型，如图3所示：

                 

                         图3 整体空间模型

3、计算分析

整体空间模型建立后，我们设置相应的参数，进行整体分析，本工程由于是钢网架屋面，柱高有11米多，而且仅是周边设柱，因此柱的安全受力就成为结构设计的关键，我们将这些柱均做800x800。由于有混凝土室外大楼梯，这些梯板是斜板，在计算时，将这些斜板均设置为弹性楼板，同时楼梯斜梁和斜板相当于支撑，对整体结构的刚度和变形有着重要的影响，因此设置弹性板后更加真实的评价这些斜向构件的实际刚度对整体结构的影响。

经过结构计算后，查看构件的计算配筋，通过多次调整，选择安全可靠的梁柱截面，查看最后的结构在各种振型下的振动图。

 

  其三个振型的结果数据如下所示：

   周期  1 及振型方向角:     0.748   103.8      Y  

   周期  2 及振型方向角:     0.689    13.8      X  

   周期  3 及振型方向角:     0.509    90.0   TORSION

从三个振动图可以看出，第一和第二振动均为平动，第三振型为转动，且根据三个振型的周期看出，第一和第二振型均是Y和X方向的纯平动，而第三振型是纯转动，说明结构布置是合理的，同时我们发现这三个振动图有一个特点就是网架的变形很小，几乎可以忽略不计，说明网架具有很大的平面内刚度，可以协调各个柱的变形，这与以前的用钢梁来代替网架这种简化计算是完全不同的，真实的反映了柱的地震响应，这样可以对柱进行针对性的设计和采取加强措施。同时从振型图中也可以看出，楼梯斜梁也跟着整体结构一起变形，说明楼梯作为支撑构件参与结构的整体振动，因此在设计时，我们还是要把楼梯构件按照实际在模型中建进去，这样才能真实的反映结构的实际受力状态。

我们对室外大楼梯的梯板按照弹性板进行分析计算，通过计算发现楼梯斜板均存在应力集中，且应力的分布很不规则，有的地方是拉应力，有的地方是压应力，非常没有规律，因此本楼梯板配筋时必须按照实际的应力，由软件自动配筋并按照构造加强而不是在PM里面按照平面结构给出的板的配筋。

由于这种结构比较复杂，柱高11米，上面支撑大跨度钢网架，下面为普通的混凝土框架结构，中间的柱在二层以上基本都抽掉了，导致竖向极不规则，根据建筑抗震设计规范的要求，我们有必要对整体结构进行整体性能分析，以评估其中旱遇地震作用下的受力性能。为了详细研究这种结构在旱震下的反应情况，我们采用push-over进行推覆分析，在推覆分析中，根据建筑抗震设计规范，地震设计分组第三组，场地类别III类，其特征周期为0.65s，我们选择两条人工地震波和一条天然波。

 由于支撑网架的柱仅为周边柱，且由于柱的高度较高，因此其侧向刚度较小，我们在进行计算时，要考虑二阶效应，即P-delta效应，以考虑大变形对柱弯矩的影响。

本文中混凝土的弹塑性本构模型采用三折线模型，把这些参数都输好后进行计算，观察结构塑性铰出现的先后次序，如图4所示，从图中可以看出，支撑网架的柱底基本都出现了塑性铰，可见一旦地震来临，这些柱底弯矩很快达到其极限承载力而导致柱底屈服形成塑性铰。下面的设计将对这些柱进行单独的研究和分析。

                     图4  塑性铰分布图

基于性能设计的pushover推覆分析结果曲线如图5所示，从曲线中我们可以看出本工程在旱遇地震作用下的最大层间位移角为1/110，满足规范1/50的要求，说明本工程满足建筑抗震设计规范第三水准的要求，即大震不倒的性能目标要求。

                       图5 pushover推覆分析的性能曲线

4、结构设计

从前文的弹性静力分析和常遇地震下的结构弹性分析看出，本工程的混凝土柱受力比较复杂，其在常遇地震作用下如同一个悬臂柱在摇摆。同时经过对整个结构进行push-over推覆分析，我们看到，最早的塑性铰出现在支撑网架柱的底端，而且最后这些柱底均出现了塑性铰，说明在旱遇地震作用下，这些柱均达到屈服状态，因此对这些柱必须进行详细的设计。为了给这些框架柱提供强大的变形耗能能力，防止其过早的屈服，我们在设计时，将柱的配筋按照实际计算结果做进一步的放大，同时对柱的箍筋进行加强，箍筋全长加密，配ø10@100，确保大震不倒。室外大楼梯的混凝土斜梁，作为整体结构的侧向支撑，在旱遇地震作用下，吸收了大量的地震力，所以也要加强，纵向钢筋比计算值放大，箍筋全长加密，以抵抗其变形的能力，其混凝土斜板，板厚做150mm，进行双层双向配筋，配ø10@100，以防止在大震情况下，梯板作为重要的逃生通道，率先破坏从而保证结构的整体安全。

由于本工程的室外楼梯大梁，相当于一个大的斜向支撑，其轴向力较大，因此其基础设计时，必须考虑其轴向拉力的影响，本工程地质较差，为桩基础，该大梁基础设计时，我们采用斜向桩，分别按照抗压和抗拔设计，取最不利的情况，最后是按照抗拔桩进行设计。

5、结论与建议

   （1）体育场馆一般为混凝土柱+钢网架结构形式，我们计算时要将混凝土框架和钢网架作为一个整体建到模型中进行整体计算和分析，这样可以真实的反映结构的实际受力情况和地震反应情况。

   （2) 体育场馆作为上部大空间，下面普通混凝土框架，其竖向极不规则，因此为了满足抗震规范的第三水准要求即大震不倒，必须对整体结构进行性能分析，通过pushover推覆分析来找到支撑网架的混凝土大柱在旱遇地震作用下的最大层间位移，必须确保其满足不大于1/50。同时对这些柱加强配筋，特别是箍筋，要通长加密，增加其旱遇地震下的变形能力和耗能能力。

   （3）室外大楼梯的斜梁要按照实际输入，斜板要进行应力分析同时按照应力配筋，必要时要做进一步的加强，板加厚，配筋双层双向拉通。斜向大梁的基础要考虑其斜向轴力的影响，必要时设置抗拔斜桩。